EP1512911A1 - Anordnung zur Kühlung hoch wärmebelasteter Bauteile - Google Patents

Anordnung zur Kühlung hoch wärmebelasteter Bauteile Download PDF

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EP1512911A1 EP04090314A EP04090314A EP1512911A1 EP 1512911 A1 EP1512911 A1 EP 1512911A1 EP 04090314 A EP04090314 A EP 04090314A EP 04090314 A EP04090314 A EP 04090314A EP 1512911 A1 EP1512911 A1 EP 1512911A1
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/06—Arrangement of apertures along the flame tube
    • F23R3/08—Arrangement of apertures along the flame tube between annular flame tube sections, e.g. flame tubes with telescopic sections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2214/00—Cooling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for cooling high heat-loaded components with a cooling medium, in particular the combustion chamber of gas turbines, with in the to be cooled Component trained, at an air inlet side with cooling air acted upon cooling air openings for training a cooling air curtain on the air outlet side of the component.
  • various components of a gas turbine for example the stator blades and their platforms or the combustion chamber, are provided in the wall region to be cooled with a multiplicity of very small cooling air openings or slots, for example with a cross-sectional area of approximately 1 mm 2 each.
  • a multiplicity of very small cooling air openings or slots for example with a cross-sectional area of approximately 1 mm 2 each.
  • the combustion chambers of aircraft engines are known from individual, through non-cutting and cutting shaping processes made rings by welding connected to each other.
  • the burners are laser drilling in an order of magnitude generated by several thousand finest cooling air holes.
  • the cost of laser drilling for the production The cooling air holes represent a significant proportion in no economically justifiable relation to the Total cost of producing the combustion chamber.
  • the invention is based on the object, an arrangement for cooling air supply of high heat-loaded components of Gas turbines specify that with low production costs and thus can be produced inexpensively.
  • the basic idea of the invention is that in the wall surface to be cooled, to be shielded against hot gases of the component in question at least one of the Cooling side open cavity is formed in the from the opposite wall surface outgoing, casting producible cooling air openings for provision of the required cooling air volume, while the open side of the cavity with a wire mesh of certain openness is covered.
  • the cavity presents while a pressure accumulator for the continuously supplied Cooling medium is that through the openings in the Wire mesh flows evenly and at the to be cooled and shielded wall surface a uniform cooling air curtain forms, as well as the self-cooling of the Wire mesh serves.
  • the wire mesh, the force and / or positive in the Edge region of the cavity is attached and its openness can be selected between 5 and 95%, compared to the Component material made of a higher thermal load Material exist.
  • the cavity may have a groove-like channel with over its Length distributed be arranged cooling air openings.
  • the cooling arrangement according to the invention is preferably for Cooling and heat shielding of combustion chambers of gas turbines used, but is equally with other components applicable.
  • the advantages of the invention lie in the cost-effective, also casting technology feasible production in the Uniformity of the generated cooling air curtain and its Variability due to different Wire mesh variable openness of the wire mesh as well in the material decoupling between the component material and the woven wire cloth in conjunction with the thereby conditional high mechanical and thermal capacity.
  • the components can be manufactured inexpensively, since the formation of the cooling air openings in the casting process can be included.
  • the wall 1 of one produced here by a casting process Combustor segment of a gas turbine has due their Z-shaped cross-sectional shape at a defined distance Paragraphs 2, in which on the inner surface of the wall, the is called the air outlet side 3, a cavity 4 in shape formed on the air outlet side 3 open channel is.
  • the cavity 4 open from the outer surface the wall or the air inlet side 5 outgoing cooling air openings 6, whose cross-sectional area is so large that with a certain number of cooling air openings 6 the required for the cooling of the inner surfaces of the wall 1 Air volume can be provided and that the cooling air openings 6 already with the casting process for production the combustion chamber segments can be formed.
  • the provided on the wall inner surface or air outlet side Opening of the cavity 4 is non-positive and / or positive with a wire mesh 7 that has a certain openness has, "closed".
  • a wire mesh 7 that has a certain openness has, "closed".
  • the casting material for the wall 1 of the combustion chamber certain thermal and mechanical requirements can meet the wire mesh of another material with less mechanical, but higher thermal capacity consist.
  • a casting material Chromoxidnduner and as wire mesh material a thermal higher resistant alumina generator provided.
  • the invention is not based on the example of the above Combustion chamber of an aircraft turbine described embodiment limited. Rather, the basic idea of the invention is who in training one over a few, sufficiently large cooling air openings supplied and with covered a wire mesh of certain openness, as Pressure accumulator serving cavity at the shielding Inner wall surface of the relevant component, also for other components, their inner surface with any Cooling medium film to be shielded, applicable.

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Abstract

Eine in der Fertigung kostengünstige Anordnung zur Kühlung hoch wärmebelasteter Bauteile, wie zum Beispiel der Brennkammer einer Gasturbine, umfasst an der wärmebelasteten Innenfläche/Luftaustrittsseite (3) der Wand (1) des Bauteils ausgebildete Kavitäten (4), die von der Außenfläche/Lufteintrittsseite (5) her über Kühlluftöffnungen (6) mit einem Kühlmedium versorgt werden und die mit einem hitzebeständigen Drahtgewebe (7) von bestimmter Offenheit abgedeckt sind. Die als Druckspeicher fungierende Kavität dient in Verbindung mit dem Drahtgewebe zur Ausbildung eines gleichmäßigen Druckluftschleiers (8) zur Kühlung und Hitzeabschirmung der Wandfläche. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung hoch wärmebelasteter Bauteile mit einem Kühlmedium, insbesondere der Brennkammer von Gasturbinen, mit in dem zu kühlenden Bauteil ausgebildeten, an einer Lufteintrittsseite mit Kühlluft beaufschlagten Kühlluftöffnungen zur Ausbildung eines Kühlluftschleiers an der Luftaustrittsseite des Bauteils.
Bekanntermaßen sind verschiedene Bauteile einer Gasturbine, beispielsweise die Statorschaufeln und deren Plattformen oder die Brennkammer, in dem zu kühlenden Wandbereich mit einer Vielzahl sehr kleiner Kühlluftöffnungen oder -schlitze, beispielsweise mit einer Querschnittsfläche von jeweils ca. 1mm2, versehen. Durch diese Vielzahl von Kühlluftöffnungen tritt von außen anströmende, auf die Außenfläche des Bauteils treffende Kühlluft auch durch den betreffenden Wandbereich des Bauteils hindurch, um an der Innenfläche der Wand einen Kühlluftschleier zu erzeugen und die Wand dadurch unmittelbar gegenüber den heißen Verbrennungsgasen abzuschirmen und unterhalb einer der maximalen thermischen Belastbarkeit des jeweiligen Bauteilwerkstoffs entsprechenden Temperatur zu halten.
Die Brennkammern von Flugtriebwerken werden bekanntermaßen aus einzelnen, durch spanlose und spangebende Formgebungsverfahren gefertigten Ringen, die durch Schweißen miteinander verbunden werden, hergestellt. In den umlaufenden Absätzen einer Z-förmig ausgebildeten Brennkammerwand sowie in dem jeweiligen Hitzeschutzschild im Bereich der Brenner werden durch Laserbohren in einer Größenordnung von mehreren Tausend feinste Kühlluftbohrungen erzeugt. Der Aufwand für das Laserbohren zur Herstellung der Kühlluftbohrungen steht mit einem bedeutenden Anteil in keinem wirtschaftlich vertretbaren Verhältnis zu den für die Herstellung der Brennkammer aufgewendeten Gesamtkosten.
Es ist bereits bekannt, die Brennkammern für Flugturbinen aus in einem Gießprozess gefertigten und durch Laserschweißen aneinander gefügten einzelnen Segmenten herzustellen, jedoch müssen die Kühlluftbohrungen auch in diesem Fall mit hohem Kostenaufwand unter Anwendung der Lasertechnik erzeugt werden, da es selbst mit modernsten Präzisionsgießverfahren nicht möglich ist, die Erzeugung der feinen Kühlluftöffnungen in den Gießprozess einzubinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kühlluftversorgung hoch wärmebelasteter Bauteile von Gasturbinen anzugeben, die mit geringem Fertigungsaufwand und damit kostengünstig hergestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der grundlegende Erfindungsgedanke besteht darin, dass in der zu kühlenden, gegen Heißgase abzuschirmenden Wandfläche des betreffenden Bauteils mindestens eine an der zu kühlenden Seite offene Kavität ausgebildet ist, in die von der gegenüberliegenden Wandfläche ausgehende, gießtechnisch herstellbare Kühlluftöffnungen zur Bereitstellung des erforderlichen Kühlluftvolumens münden, während die offene Seite der Kavität mit einem Drahtgewebe von bestimmter Offenheit abgedeckt ist. Die Kavität stellt dabei einen Druckspeicher für das kontinuierlich zugeführte Kühlmedium dar, dass über die Öffnungen in dem Drahtgewebe gleichmäßig abströmt und an der zu kühlenden und abzuschirmenden Wandfläche einen gleichmäßigen Kühlluftschleier bildet, sowie auch der Eigenkühlung des Drahtgewebes dient.
Das Drahtgewebe, das kraft- und/oder formschlüssig im Randbereich der Kavität befestigt ist und dessen Offenheit zwischen 5 und 95 % wählbar ist, kann gegenüber dem Bauteilwerkstoff aus einem thermisch höher belastbaren Material bestehen.
Die Kavität kann ein nutartiger Kanal mit über dessen Länge verteilt angeordneten Kühlluftöffnungen sein. Selbstverständlich können auch mehrere Kavitäten hintereinander und/oder parallel zueinander angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Kühlanordnung wird vorzugsweise zur Kühlung und Hitzeabschirmung bei Brennkammern von Gasturbinen eingesetzt, ist aber gleichermaßen bei anderen Bauteilen anwendbar.
Die Vorteile der Erfindung liegen in der kostengünstigen, auch gießtechnisch realisierbaren Fertigung, in der Gleichmäßigkeit des erzeugten Kühlluftschleiers und dessen Variabilität aufgrund der durch unterschiedliche Drahtgewebe variierbaren Offenheit des Drahtgewebes sowie in der Werkstoffentkopplung zwischen dem Bauteilwerkstoff und dem Drahtgewebewerkstoff in Verbindung mit der dadurch bedingten hohen mechanischen und thermischen Belastbarkeit. Insbesondere bei der gießtechnischen Herstellung können die Bauteile kostengünstig gefertigt werden, da die Ausbildung der Kühlluftöffnungen in den Gießprozess einbezogen werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur eine perspektivische Schnittansicht eines Teils einer Z-förmig ausgebildeten Wand der Brennkammer einer Gasturbine dargestellt ist, näher erläutert.
Die Wand 1 eines hier in einem Gießverfahren hergestellten Brennkammersegments einer Gasturbine weist aufgrund ihrer Z-förmigen Querschnittsform in definiertem Abstand Absätze 2 auf, in die an der Innenfläche der Wand, das heißt, der Luftaustrittsseite 3, eine Kavität 4 in Form eines an der Luftaustrittsseite 3 offenen Kanals eingeformt ist. In die Kavität 4 münden von der Außenfläche der Wand bzw. der Lufteintrittsseite 5 ausgehende Kühlluftöffnungen 6, deren Querschnittsfläche so groß ist, dass mit einer bestimmten Anzahl Kühlluftöffnungen 6 das für die Kühlung der Innenflächen der Wand 1 erforderliche Luftvolumen bereitgestellt werden kann und dass die Kühlluftöffnungen 6 bereits mit dem Gießprozess zur Herstellung der Brennkammersegmente ausgebildet werden können. Die an der Wandinnenfläche bzw. Luftaustrittsseite vorgesehene Öffnung der Kavität 4 ist kraft- und/oder formschlüssig mit einem Drahtgewebe 7, das eine bestimmte Offenheit aufweist, "verschlossen". Während der Gusswerkstoff für die Wand 1 der Brennkammer bestimmten thermischen und mechanischen Anforderungen genügen muss, kann das Drahtgewebe aus einem anderen Werkstoff mit geringerer mechanischer, aber höherer thermischer Belastbarkeit bestehen. Beispielsweise sind als Gusswerkstoff ein Chromoxidbildner und als Drahtgewebewerkstoff ein thermisch höher beständiger Aluminiumoxidbildner vorgesehen.
Die an der Außenwandfläche (Lufteintrittsseite 5) der Brennkammer anströmende Kühlluft gelangt über die Kühlluftöffnungen 6 in die Kavität 4, in der ein gleichmäßiger Druck aufgebaut wird. Durch das Drahtgewebe 7 wird ein Luftschleier 8 erzeugt, der langsam entlang der Innenfläche (Luftaustrittsseite 3) der Brennkammer fließt und die Brennkammerwand gegenüber den heißen Gasen abschirmt und kühlt.
Die Erfindung ist nicht auf die zuvor am Beispiel der Brennkammer einer Flugzeugturbine beschriebene Ausführungsform beschränkt. Vielmehr ist der grundlegende Erfindungsgedanke, der in der Ausbildung einer über wenige, ausreichend große Kühlluftöffnungen versorgten und mit einem Drahtgewebe bestimmter Offenheit abgedeckten, als Druckspeicher dienenden Kavität an der abzuschirmenden Innenwandfläche des betreffenden Bauteils besteht, auch bei anderen Bauteilen, deren Innenfläche mit einem beliebigen Kühlmediumfilm abgeschirmt werden soll, anwendbar.
Bezugszeichenliste
1
Wand (eines zu kühlenden Bauteils)
2
Absatz in 1
3
Luftaustrittsseite
4
Kavität
5
Lufteintrittsseite
6
Kühlluftöffnungen
7
Drahtgewebe
8
Kühlluftschleier

Claims (10)

  1. Anordnung zur Kühlung hoch wärmebelasteter Bauteile, insbesondere der Brennkammer von Gasturbinen, mit in dem zu kühlenden Bauteil oder dessen Wand (1) ausgebildeten, an einer Lufteintrittsseite (5) mit Kühlluft beaufschlagten Kühlluftöffnungen (6) zur Ausbildung eines Kühlluftschleiers (8) an der Luftaustrittsseite (3) der Wand, dadurch gekennzeichnet, dass an der Luftaustrittsseite (3) mindestens eine Kavität (4) ausgebildet ist, in die mindestens eine Kühlluftöffnung (6) zur Kühlluftzufuhr mündet, die so groß ist (sind), dass deren einfache Fertigung, auch gusstechnisch, und die Zufuhr des erforderlichen Kühlluftvolumens gewährleistet ist, wobei die an der Luftaustrittsseite (3) offene Kavität (4) mit einem gasdurchlässigen Drahtgewebe (7) aus hitzebeständigem Material zur Ausbildung des Kühlluftschleiers (8) und der Selbstkühlung abgedeckt ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtgewebe (7) kraft- und/oder formschlüssig im Randbereich der offenen Seite der Kavität(en) (4) befestigt ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Werkstoffentkopplung zwischen dem Bauteilmaterial und dem Drahtgewebematerial, wobei das Drahtgewebematerial aus einem thermisch höher belastbaren Werkstoff als das Bauteilmaterial besteht.
  4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Offenheit des Drahtgewebes (7) zwischen 5 und 95% liegt.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Offenheit des Drahtgewebes (7) ca. 20% beträgt.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Wand (1) einer Brennkammer ist und die Kavität (4) ein in die Innenfläche der Wand (1) eingeformter, am Innenumfang der Brennkammer umlaufender nutartiger Kanal mit über dessen Länge verteilt angeordneten Kühlluftöffnungen (6) ist oder von mehreren aufeinanderfolgenden Kanälen mit in diese mündenden Kühlluftöffnungenöffnungen gebildet ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand (1) mehrere Kavitäten (4) in Form von Kanälen parallel übereinander ausgebildet sind.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität(en) (4) in die durch eine Z-Form der zu kühlenden Bauteilwand gebildeten Absätze (2) eingeformt sind.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in einem spanlosen und/oder spangebenden Formgebungsverfahren gefertigt ist.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einschließlich der Kühlluftöffnungen (6) und Kavitäten (4) in einem Gießprozess gefertigt ist.
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